基于ARM處理器的微波熱療儀系統(tǒng)

引言

隨著科學技術的發(fā)展，各種醫(yī)療設備相繼問世并得到廣泛應用。其中，微波治療[1][2]以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點，在醫(yī)療行業(yè)推廣應用了多年，其療效已得到醫(yī)務界的肯定。微波作用于機體組織時，它會引起組織細胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當使用小劑量微波時，它會產生低熱效應，增強患者患處的血液循環(huán)，加快新陳代謝，增強免疫能力，因此能促進水腫吸收，消炎止痛;當使用大劑量微波時，它會產生高熱效應，使蛋白質變性、凝固、壞死，此時，微波具有“燒灼”、“切割”的作用。

微波治療儀是一種利用微波的生物學特性對各種疾病進行治療的醫(yī)療設備，它綜合了微波、傳感器、自動控制、計算機軟件和硬件等高科技技術。市場上的微波治療儀的控制系統(tǒng)多數(shù)采用單片機實現(xiàn)，普遍存在操作繁瑣、無圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點。而采用PC機作為控制端的熱療儀又增大了設備的成本。這些因素都制約著該應用的迅速普及推廣。

由于ARM嵌入式技術能使控制系統(tǒng)小型化，并且開發(fā)出來的產品功能強大，成本低廉，具有較高的性價比。因此，我們根據(jù)微波熱療儀的市場需要，開發(fā)了一種新型的基于ARM嵌入式系統(tǒng)[3][4]、配置WINCE.NET操作系統(tǒng)[5]的微波熱療儀。本應用采用Embedded Visual C++工具[6]進行開發(fā)，該產品能實時監(jiān)測人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統(tǒng)具有控制集成度高，運行穩(wěn)定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 硬件功能簡介

微波刀是一種將微波能量用來進行外科手術的微波手術刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續(xù)可調的微波功率源，通過傳輸線與手術刀具相連組成。微波源產生的能量經傳輸線，沿手術刀具進入患者手術部位，實現(xiàn)手術目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術感染等特點，并且體積小,操作靈活。消融技術是使微波治療源經過人體自然腔道，準確定點的介入到人體的局部病變部位，自動精確的控制其治療功率、時間和治療范圍的技術。采用消融針能夠在不開腹的情況下對病癥進行有效治療，痛苦小。

本系統(tǒng)的微波發(fā)射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下：

（1）微波刀：手術中微波刀在使用時，用戶通過人機交互界面控制微波刀的輸出功率，同時系統(tǒng)自動累計微波刀的運行時間，便于病歷記錄。

（2）消融針：消融針應用于熱療時，用戶可預先設置消融針運行功率、時間和警戒溫度，系統(tǒng)采用倒計時方式計算消融針運行時間，時間歸零后，系統(tǒng)自動切斷功率輸出。治療過程中，為了防止患者治療部位的溫度過高而造成組織損壞，系統(tǒng)還可以監(jiān)視患處的溫度變化情況，當檢測到的溫度高于警戒溫度時，系統(tǒng)自動調低消融針的輸出功率;當檢測到的溫度恢復正常后，系統(tǒng)恢復消融針的輸出功率為預先設置值。

1.2 硬件組成

整個硬件系統(tǒng)分為三大部分，即嵌入式系統(tǒng)模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統(tǒng)的硬件結構圖。

圖1 硬件系統(tǒng)結構圖

圖2 嵌入式系統(tǒng)模塊結構圖

1.2.1 嵌入式系統(tǒng)模塊

嵌入式系統(tǒng)模塊的結構如圖2所示，模塊采用三星公司的ARM9系列微處理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系統(tǒng)模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，其分辨率為640×480，作為系統(tǒng)的人機交互平臺供用戶操作使用。

嵌入式系統(tǒng)模塊是整個系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機交互界面供用戶設定功率、時間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過串口與單片機通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實時的溫度曲線。

1.2.2 溫度采集及控制模塊

溫度采集及控制模塊由單片機和溫度采集電路組成：

（1） 單片機。單片機采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內嵌12位A/D和12位D/A轉換器。它通過A/D采集8路溫度信號并經串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來的功率值通過D/A轉換成電壓以驅動微波源。此外，考慮到實際應用的方便性，模塊外接一腳踏開關，這樣用戶可直接用腳踏開關控制微波輸出功率。

（2）溫度采集電路。在熱療過程中，為了檢測人體患處的溫度變化情況，系統(tǒng)配置了溫度采集電路。它由8路熱敏電阻和信號放大電路組成，熱敏電阻先與固定電阻分壓，經信號放大電路放大后接到單片機的A/D轉換器。單片機再通過串口將溫度信號傳遞給嵌入式系統(tǒng)模塊，顯示于液晶顯示器上。

1.2.3 微波源

微波源采用磁控管作為微波振蕩管，當磁控管的工作點設置合理、內部振蕩穩(wěn)定時，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門設計的圓形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅動電路和微波輻射器組成。它可外接手術刀和消融針（見圖3），為不同部件提供微波輸出。

圖3 微波源

由于微波源輸出的功率與驅動電壓之間為非線性關系，在本設計中我們預先測出功率與驅動電壓的對應關系表，控制程序通過查表將用戶設置的功率轉換成電壓值，并通過串口發(fā)送給單片機。單片機再通過其自帶的D/A轉換器輸出模擬電壓以控制微波源的功率輸出。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)WINCE.NET

Microsoft Windows CE.NET （又稱WINCE.NET）是一個緊湊、高效和可裁減的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中。它擁有多線程、多任務、完全搶先式優(yōu)先級的特點，是一種面向嵌入式環(huán)境的實時操作系統(tǒng)。

Embedded Visual C++（簡稱EVC）是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平臺的可視化開發(fā)工具，它支持MFC類庫的子集，能夠給開發(fā)者提供強大的支持，與普通Win32程序開發(fā)方法相似，基于此特點本次設計采用EVC4.0版本開發(fā)。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

根據(jù)硬件平臺的特點以及實際的功能需求，軟件系統(tǒng)分為兩部分：手術刀控制和消融針自動控制功能，其中消融針自動控制功能提供三種功能：人體溫度監(jiān)視功能，微波功率自動調節(jié)功能以及消融針運行狀態(tài)控制功能。其中人體溫度監(jiān)視功能提供溫度-時間（秒），溫度-時間（分）和功率-時間（分）三波形圖，如圖4所示。具體的系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖4 軟件結構圖

圖5 程序流程圖

2.2.1 手術刀控制功能塊

該模塊界面如圖6（a）所示,它提供以下功能：控制微波刀啟/停狀態(tài)、計算微波刀運行時間、調整微波刀輸出功率和初始化功率、時間參數(shù)。

（a） 手術刀狀態(tài)顯示

b） 消融針控制圖
圖6 軟件部分功能圖

嵌入式系統(tǒng)模塊與溫度采集及控制模塊之間主要通過串口通訊[7]（見圖1）。應用程序需要對串口數(shù)據(jù)進行編碼/解碼以達到控制的目的。串口通訊數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一如下：

（1）數(shù)模轉換器向嵌入式系統(tǒng)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為每幀21字節(jié)，傳輸格式（見表1）如下：①前導碼為0x55（1字節(jié)）;②開始/停止（1字節(jié)）：0x00表示停止;0xFF表示開始③功率值（2字節(jié)）：功率值為一個范圍（0—4095）;④溫度值（16字節(jié)）：每個溫度值取值范圍為0-4095（2字節(jié)），所以共需16字節(jié);⑤結束碼為0xAA。

表1 溫度采集及控制模塊-嵌入式模塊數(shù)據(jù)格式

（2）嵌入式系統(tǒng)模塊給數(shù)模轉換器發(fā)送的數(shù)據(jù)格式如表2所示，共5字節(jié)，定義同上。

表2 嵌入式模塊-溫度采集及控制模塊 數(shù)據(jù)格式

2.2.2 消融針控制功能塊

如圖6（b）所示，此模塊提供功能：①消融針運行控制功能：所選用微波源的型號、警戒溫度 、預運行時間和預輸出功率;控制消融針啟/停狀態(tài)②微波功率自動調節(jié)功能：當被治療的患處溫度超過警戒溫度時候，系統(tǒng)自動調低微波輸出功率，直到溫度恢復正常。③溫度監(jiān)視功能顯示三種波形圖：溫度-時間（秒），溫度-時間（分）和功率-時間（分）波形圖。

3 實驗與結論

系統(tǒng)整合后，于室溫17℃的條件下我們對整個儀器進行過了測試。手術刀輸出功率為35W。啟動手術刀功能后，測得系統(tǒng)的表示輸出功率的模擬電壓值與時間的關系如表3：

表3 手術刀輸出模擬電壓-時間表

另外，設置消融針輸出功率35W,設置警戒溫度30℃。啟動消融針熱療功能，開始時將溫度熱敏探頭置入11.5℃水中;于第5分鐘置入溫度為31.7℃的水中，于第6分鐘取出繼續(xù)置入11.5℃水中;于第10分鐘置入溫度為29.1℃的水中，于第11分鐘取出，繼續(xù)置入11.5℃水中。在此過程中，我們測得的功率轉換后的電壓值如表4：

表4 消融針輸出模擬電壓-時間表

實驗表明，控制系統(tǒng)能夠精確控制微波的輸出功率。同時，通過熱敏探頭，它能夠準確監(jiān)視患處溫度變化，并根據(jù)預警溫度值對輸出功率大小進行調節(jié)，以防止患處溫度過高引發(fā)灼傷事故。實驗與理論的一致說明系統(tǒng)性能符合設計要求，今后還要不斷努力，完善人機交互界面，提高可操作性;完善軟件模塊與不同微波發(fā)射器之間耦合的接口，提高系統(tǒng)的兼容性和可擴展性。

本文的創(chuàng)新點：利用流行的嵌入式技術改進提升微波熱療儀的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使熱療儀控制系統(tǒng)在小型化、智能化、提高精確度以及降低成本方面邁出了一大步;其擁有的多接口能夠兼容市場上流行的微波發(fā)射器，具有較高的可擴展性，實現(xiàn)了很好的市場價值。